CN102003826A - 带有喷射器的超低温循环制冷方法 - Google Patents

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Abstract

一种带有喷射器的超低温循环制冷方法，压缩机(1)压缩后的高压混合制冷剂进入冷凝器(2)，再进入第一气液分离器(3)实现气、液相分离，从第一气液分离器底部流出的液态制冷剂进入第一喷射器(4)，第一喷射器出口的气液两相混合工质经第一回热器(5)的冷却降温再进入到第二气液分离器(6)并被分离，第二喷射器(8)的工作流体经第一节流件(7)以及冷凝蒸发器(9)而成低压蒸汽，经第二喷射器增压流入第一回热器进行过热再流回压缩机；从第一气液分离器顶部流出的气态制冷剂流入冷凝蒸发器并经第二回热器(10)再冷却，通过第二节流件(11)并进入到蒸发器(12)内低温制冷，超低温温度可达-40至-170℃，节能效果好。

Description

带有喷射器的超低温循环制冷方法
技术领域
本发明属于制冷技术领域，尤其涉及到一种带有喷射器的超低温循环制冷方法。
背景技术
自动复叠制冷循环技术是中小型低温制冷设备中较为常见的技术之一。自动复叠制冷循环技术最早发明于1936年，该技术曾在天然气液化中得到成功应用。目前自复叠制冷循环技术可以获得从低于80K的液氮温区到230K的传统蒸气压缩制冷温区的低温环境，并在低温制冷领域得到不断的推广。
自动复叠制冷循环技术采用多元非共沸混合工质作为制冷剂，根据非共沸混合工质在气液相平衡状态下气相和液相组分浓度不同的特点，利用气液分离器将高沸点液态工质和低沸点气态工质分离开来，通过高沸点工质蒸发来实现低沸点工质冷凝只需要一个压缩机就可以获得所需低温环境，其结构简单，低温端无运动部件，运行可靠，并可有效解决压缩机的回油问题。
目前，针对自动复叠制冷循环技术的研究主要集中在以下两个方面：
一、对传统循环流程进行改进或对部件结构进行优化设计，主要采用的是新型换热器和高效气液分离装置。
二、采用绿色环保的混合工质作为制冷剂。
然而就自动复叠制冷循环技术而言，当环境温度和制冷剂工质一定时，要获得更低的蒸发温度必须降低蒸发压力，这将导致压缩机的吸气压力下降、压比增大，同时产生较大的节流损失和传热不可逆损失，造成该循环的制冷系数明显下降，这一问题也制约着自动复叠制冷技术在低温领域的实际应用。
因此，如何在获得低温的同时改善系统的循环性能是该技术今后发展所必须解决关键问题之一。
中国专利CN 1963341A所公开的技术内容中，就将喷射器引入自动复叠制冷循环中，即通过在蒸发器与压缩机之间设置喷射器，利用冷凝蒸发器流出的高沸点气态制冷剂作为工作流体，引射蒸发器出口的低沸点气态制冷剂，利用喷射器提高压缩机吸气口压力，降低压缩机的压比，从而节省压缩机能耗。但是，该技术为了保证喷射器中工作流体所需要的较高工作压力需提高蒸发冷凝器中高沸点工质的蒸发压力，必然引起其蒸发温度的升高，高沸点工质蒸发温度的升高将导致低沸点组分的沸点受到较大限制；如果所选择的低沸点组分沸点过低，那么在冷凝蒸发器中具有较高蒸发温度的高沸点工质将无法使低沸点组分冷凝成液体，因此，该带有喷射器的自动复叠制冷循环较适用于制冷温度较高的场合，在制冷温度较低场合其使用受到较大限制。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种带有喷射器的超低温循环制冷方法，该超低温循环制冷方法利用喷射器回收节流损失并可减小压比，可在获得超低温的同时具有较高的循环性能并获得较快的制冷速度。
超低温自定义的温度范围在-40℃至-170℃之间。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
所述带有喷射器的超低温循环制冷方法所涉及到的制冷部件包括压缩机、冷凝器、第一气液分离器、第一回热器、第一节流件、冷凝蒸发器、第二回热器、第二节流件和蒸发器，制冷部件还包括第一喷射器、第二喷射器和第二气液分离器，所述各制冷部件和制冷剂构成的超低温循环制冷过程如下：
经压缩机压缩后的高压混合制冷剂蒸气进入冷凝器被冷凝为气液两相混合物，然后进入第一气液分离器实现气相和液相的分离，从第一气液分离器底部流出的富含高沸点组分的高压液态制冷剂进入第一喷射器作为工作流体引射来自蒸发器的富含低沸点组分的低压制冷剂蒸气而成为较高压力状态的气液两相混合工质，第一喷射器出口的气液两相混合工质经第一回热器的冷却降温再进入到第二气液分离器并被分离成富含低沸点组分的气态制冷剂和富含高沸点组分的液态制冷剂，富含低沸点组分的气态制冷剂作为第二喷射器的工作流体引射来自第二气液分离器底部流出的经第一节流件节流降压的以及冷凝蒸发器内蒸发汽化而成的富含高沸点组分的低压蒸汽，再经第二喷射器增压后的气态混合工质流入第一回热器进行过热后再流回压缩机；从第一气液分离器顶部流出的富含低沸点组分的高压气态制冷剂流入冷凝蒸发器被冷凝成液体后经第二回热器进行再冷却，然后通过第二节流件的节流降压成为低温低压制冷剂并进入到蒸发器内以实现低温制冷，蒸发器出口的富含低沸点组分的低压气态制冷剂再经第二回热器实施换热后被引射进入第一喷射器实现增压过程，至此完成一个循环制冷过程，重复循环制冷即可完成带有喷射器的超低温循环制冷过程。
实现所述带有喷射器的超低温循环制冷方法的各制冷部件的连接关系如下：
压缩机的出口与冷凝器的入口通过管道相连，冷凝器的出口与第一气液分离器的入口通过管道相连，第一气液分离器的顶部出口与冷凝蒸发器的高压侧入口通过管道相连，第一气液分离器的底部出口与第一喷射器的高压流体入口通过管道相连；冷凝蒸发器的高压侧出口与第二回热器的高压侧入口通过管道相连，第二回热器的高压侧出口与第二节流件通过管路连接后再与蒸发器的入口通过管道相连，蒸发器的出口与第二回热器的低压侧入口通过管道相连，第二回热器的低压侧出口与第一喷射器的低压流体入口通过管道相连；第一喷射器的出口与第一回热器的高压侧入口通过管道相连，第一回热器的高压侧出口与第二气液分离器的入口通过管道相连，第二气液分离器的顶部出口与第二喷射器的高压流体入口通过管道相连，第二气液分离器的底部出口与第一节流件通过管道连接后再与冷凝蒸发器的低压侧入口相连，冷凝蒸发器的低压侧出口与第一喷射器的低压流体入口通过管道相连，第一喷射器的出口与第一回热器的低压侧入口通过管道相连；第一回热器的低压侧出口与压缩机的吸气入口通过管道相连。
实现所述带有喷射器的超低温循环制冷方法的制冷剂或由高沸点工质组分和低沸点工质组分混合组成二元非共沸混合工质，或由高沸点工质组分、低沸点工质组分和超低沸点工质组分混合组成三元或是三元以上非共沸混合工质。
由于采用如上所述技术方案，本发明具有如下优越性：
1、通过设置第一喷射器，利用高压高沸点液态制冷剂引射低压低沸点气态制冷剂可充分回收高沸点组分的节流损失，提高制冷装置的循环性能，同时可提高压缩机的吸气压力，降低压缩比，在相同条件下可比传统自动复叠制冷机获得更低的蒸发压力和蒸发温度。
2、通过设置第二喷射器，利用高压低沸点气态制冷剂引射低压高沸点气态制冷剂可提高压缩机的吸气口处高沸点组分的吸气压力和降低冷凝蒸发器内的高沸点组分的蒸发温度，从而获得更快的制冷速度和更低的制冷温度。
3、本发明的超低温制冷方法可以获得-40℃至-170℃范围内的制冷温度，更快的制冷速度和较高的循环性能，节能效果非常显著，应用范围广泛，具有很好的市场开发前景。
附图说明
图1是实现本发明方法的一种各制冷部件的连接关系示意图；
图2是实现本发明方法的另一种各制冷部件的连接关系示意图。
上述图中：1-压缩机；2-冷凝器；3-第一气液分离器；4-第一喷射器；5-第一回热器；6-第二气液分离器；7-第一节流件；8-第二喷射器；9-冷凝蒸发器；10-第二回热器；11-第二节流件；12-蒸发器。
具体实施方式
本发明带有喷射器的超低温循环制冷方法所涉及到的制冷部件包括压缩机1、冷凝器2、第一气液分离器3、第一回热器5、第一节流件7、冷凝蒸发器9、第二回热器10、第二节流件11和蒸发器12，制冷部件还包括第一喷射器4、第二喷射器8和第二气液分离器6。虽然本发明的方法会涉及到制冷行业常见的上述制冷部件，但上述制冷部件形成的连接关系以及由此产生的循环制冷过程和效果则是不相同的，为此本发明由上述各制冷部件和制冷剂构成的超低温循环制冷过程如下：
经压缩机1压缩后的高压混合制冷剂蒸气进入冷凝器2被冷凝为气液两相混合物，然后进入第一气液分离器3实现气相和液相的分离，从第一气液分离器3底部流出的富含高沸点组分的高压液态制冷剂进入第一喷射器4作为工作流体引射来自蒸发器12的富含低沸点组分的低压制冷剂蒸气而成为较高压力状态的气液两相混合工质，第一喷射器4出口的气液两相混合工质经第一回热器5的冷却降温再进入到第二气液分离器6并被分离成富含低沸点组分的气态制冷剂和富含高沸点组分的液态制冷剂，富含低沸点组分的气态制冷剂作为第二喷射器8的工作流体引射来自第二气液分离器6底部流出的经第一节流件7节流降压的以及冷凝蒸发器9内蒸发汽化而成的富含高沸点组分的低压蒸汽，再经第二喷射器8增压后的气态混合工质流入第一回热器5进行过热后再流回压缩机1。
实际上第一喷射器4的工作流体是从第一气液分离器3底部流出的富含高沸点组分的液体（即所述的高压液态制冷剂），利用高压状态的富含高沸点组分的液体引射来自蒸发器12的低压状态的富含低沸点组分的蒸汽可以提高压缩机1的吸气口处低沸点组分的吸气压力和保证在蒸发器12内获得超低温的蒸发温度，该超低温的蒸发温度可以达到-40℃至-170℃之间。
从第一气液分离器3顶部流出的富含低沸点组分的高压气态制冷剂流入冷凝蒸发器9被冷凝成液体后经第二回热器10进行再冷却，然后通过第二节流件11的节流降压成为低温低压制冷剂并进入到蒸发器12内以实现低温制冷，蒸发器12出口的富含低沸点组分的低压气态制冷剂再经第二回热器10实施换热后被引射进入第一喷射器4实现增压过程，至此完成一个循环制冷过程，重复循环制冷即可完成带有喷射器的超低温循环制冷过程。
第二喷射器8的工作流体是从第二气液分离器6顶部出口富含低沸点组分的气体（即所述的低压蒸汽），利用较高压力状态的富含低沸点组分的气体引射来自冷凝蒸发器9的低压状态的富含高沸点组分的蒸汽以提高压缩机1的吸气口处高沸点组分的吸气压力和降低冷凝蒸发器9内的高沸点组分的蒸发温度。
注意：压缩机吸入的是由高沸点工质和低沸点工质混合的蒸汽。
图1-2中的箭头仅表示各制冷件之间所连接的管道中的工质流向示意。
结合图1，实现所述带有喷射器的超低温循环制冷方法的各制冷部件的连接关系如下：
压缩机1的出口与冷凝器2的入口通过管道相连，冷凝器2的出口与第一气液分离器3的入口通过管道相连，第一气液分离器3的顶部出口与冷凝蒸发器9的高压侧入口通过管道相连，第一气液分离器3的底部出口与第一喷射器4的高压流体入口通过管道相连。
冷凝蒸发器9的高压侧出口与第二回热器10的高压侧入口通过管道相连，第二回热器10的高压侧出口与第二节流件11通过管路连接后再与蒸发器12的入口通过管道相连，蒸发器12的出口与第二回热器10的低压侧入口通过管道相连，第二回热器10的低压侧出口与第一喷射器4的低压流体入口通过管道相连。
第一喷射器4的出口与第一回热器5的高压侧入口通过管道相连，第一回热器5的高压侧出口与第二气液分离器6的入口通过管道相连，第二气液分离器6的顶部出口与第二喷射器8的高压流体入口通过管道相连，第二气液分离器6的底部出口与第一节流件7通过管道连接后再与冷凝蒸发器9的低压侧入口相连，冷凝蒸发器9的低压侧出口与第一喷射器4的低压流体入口通过管道相连，第一喷射器4的出口与第一回热器5的低压侧入口通过管道相连。
实现所述带有喷射器的超低温循环制冷方法的制冷剂或由高沸点工质组分和低沸点工质组分混合组成二元非共沸混合工质，或由高沸点工质组分、低沸点工质组分和超低沸点工质组分混合组成三元或是三元以上非共沸混合工质。
高沸点工质组分或是R600a，或是R152a，或是R134a，或是R22，或是R290，或是R1270，或是R32，或是R143a，或是R125。
低沸点工质组分或是R23，或是R13，或上R170。
超低沸点工质组分或是R728，或是R50，或是R14，或是R1150。
图2与图1的不同之处在于：图2中不包括第二喷射器8和第二气液分离器6。虽然第二喷射器8和第二气液分离器6可以提高压缩机1吸气压力，降低压比，进一步提高了系统的循环性能，但在一定程度上也增加了系统的复杂程度。因此在本发明的另一种实施例中也可以不设置第二喷射器和第二气液分离器。此时第一回热器5的高压侧出口直接与第一节流件7通过管道连接后再与冷凝蒸发器9的低压侧入口相连，冷凝蒸发器9的低压侧出口直接与第一回热器5的低压侧入口通过管道相连，其它连接关系与图1所示的连接关系相同。所以从第一喷射器4出口的混合工质经第一回热器5冷却后直接流向第一节流件7，经第一节流件7节流后进入冷凝蒸发器9再流回第一回热器5，经第一回热器5过热后流回压缩机1。

Claims (3)

1.一种带有喷射器的超低温循环制冷方法，该超低温循环制冷方法所涉及到的制冷部件包括压缩机(1)、冷凝器(2)、第一气液分离器(3)、第一回热器(5)、第一节流件(7)、冷凝蒸发器(9)、第二回热器(10)、第二节流件(11)和蒸发器(12)，制冷部件还包括第一喷射器(4)、第二喷射器(8)和第二气液分离器(6)，其特征是：所述各制冷部件和制冷剂构成的超低温循环制冷过程如下：
经压缩机(1)压缩后的高压混合制冷剂蒸气进入冷凝器(2)被冷凝为气液两相混合物，然后进入第一气液分离器(3)实现气相和液相的分离，从第一气液分离器(3)底部流出的富含高沸点组分的高压液态制冷剂进入第一喷射器(4)作为工作流体引射来自蒸发器(12)的富含低沸点组分的低压制冷剂蒸气而成为较高压力状态的气液两相混合工质，第一喷射器(4)出口的气液两相混合工质经第一回热器(5)的冷却降温再进入到第二气液分离器(6)并被分离成富含低沸点组分的气态制冷剂和富含高沸点组分的液态制冷剂，富含低沸点组分的气态制冷剂作为第二喷射器(8)的工作流体引射来自第二气液分离器(6)底部流出的经第一节流件(7)节流降压的以及冷凝蒸发器(9)内蒸发汽化而成的富含高沸点组分的低压蒸汽，再经第二喷射器(8)增压后的气态混合工质流入第一回热器(5)进行过热后再流回压缩机(1)；从第一气液分离器(3)顶部流出的富含低沸点组分的高压气态制冷剂流入冷凝蒸发器(9)被冷凝成液体后经第二回热器(10)进行再冷却，然后通过第二节流件(11)的节流降压成为低温低压制冷剂并进入到蒸发器(12)内以实现低温制冷，蒸发器(12)出口的富含低沸点组分的低压气态制冷剂再经第二回热器(10)实施换热后被引射进入第一喷射器(4)实现增压过程，至此完成一个循环制冷过程，重复循环制冷即可完成带有喷射器的超低温循环制冷过程。
2.如权利要求1所述带有喷射器的超低温循环制冷方法，其特征是：实现所述带有喷射器的超低温循环制冷方法的各制冷部件的连接关系如下：
压缩机(1)的出口与冷凝器(2)的入口通过管道相连，冷凝器(2)的出口与第一气液分离器(3)的入口通过管道相连，第一气液分离器(3)的顶部出口与冷凝蒸发器(9)的高压侧入口通过管道相连，第一气液分离器(3)的底部出口与第一喷射器(4)的高压流体入口通过管道相连；冷凝蒸发器(9)的高压侧出口与第二回热器(10)的高压侧入口通过管道相连，第二回热器(10)的高压侧出口与第二节流件(11)通过管路连接后再与蒸发器(12)的入口通过管道相连，蒸发器(12)的出口与第二回热器(10)的低压侧入口通过管道相连，第二回热器(10)的低压侧出口与第一喷射器(4)的低压流体入口通过管道相连；第一喷射器(4)的出口与第一回热器(5)的高压侧入口通过管道相连，第一回热器(5)的高压侧出口与第二气液分离器(6)的入口通过管道相连，第二气液分离器(6)的顶部出口与第二喷射器(8)的高压流体入口通过管道相连，第二气液分离器(6)的底部出口与第一节流件(7)通过管道连接后再与冷凝蒸发器(9)的低压侧入口相连，冷凝蒸发器(9)的低压侧出口与第一喷射器(4)的低压流体入口通过管道相连，第一喷射器(4)的出口与第一回热器(5)的低压侧入口通过管道相连；第一回热器(5)的低压侧出口与压缩机(1)的吸气入口通过管道相连。
3.如权利要求1所述带有喷射器的超低温循环制冷方法，其特征是：实现所述带有喷射器的超低温循环制冷方法的制冷剂或由高沸点工质组分和低沸点工质组分混合组成二元非共沸混合工质，或由高沸点工质组分、低沸点工质组分和超低沸点工质组分混合组成三元或是三元以上非共沸混合工质。
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